Микроэлектроника для «чайников»: Чистая комната — базовый актив высокотехнологичного производства


— Сегодня Zelenograd.ru совместно с «Микроном» начинает серию передач под названием «Микроэлектроника для чайников». Будем рассказывать о том, как всё устроено в нашей градообразующей отрасли.

В первой передаче поговорим о том, без чего высокотехнологичное производство не может существовать — о так называемых «чистых помещениях». В студию Zelenograd.ru пришли люди, которые имеют непосредственное отношение к эксплуатации чистых комнат на заводе «Микрон». Это начальник цеха 1 Павел Каширин и руководитель группы цеха 1 (участок 150 мм) Дмитрий Горожанин.

П.К. — Да, мы непосредственно занимаемся производством микросхем в чистых комнатах. Основная характеристика чистых комнат — количество пылинок, которые содержатся в объёме воздуха. Чистые комнаты созданы для того, чтобы уменьшить их влияние на изготавливаемые чипы.

— Действительно ли высокотехнологичное производство не может существовать без чистой комнаты?

П.К. — Надо рассмотреть развитие микроэлектронного производства. Если мы раньше изготавливали пластинки диаметром 40 мм, и при этом на них вмещалось 15–20 кристаллов (как раньше шутили: микросхема с двумя ручками и шестнадцатью ножками), то для уменьшения размера надо было уменьшить возможность возникновения дефектов, которые могли повреждать эти кристаллы. Ужесточение требований к чистым помещениям позволило выпускать более мелкие изделия согласно топологическим нормам и, соответственно, увеличить плотность упаковки на одной пластинке.

— Соответственно, чем мельче изделия, тем больше они подвержены влиянию пылинок?

П.К. — Да. Чтобы изделие сделать маленьким, надо сделать, чтобы на нём были маленькие микросхемы. Самый интересный пример, если кто помнит начало эры мобильных телефонов: раньше мобильные телефоны были как ящик, на него вешалась большая трубка. Потом появились переносные мини-аппараты типа «Моторолы», которые открывались со здоровым щелчком, при этом в них был зашит минимальный набор функций: клавиши и два рингтона. Сейчас мобильный телефон — как переносной компьютер, и разнообразие функционала зависит от того, сколько вы готовы за него заплатить.

— И эти первые устройства собирались, грубо говоря, молотком и зубилом…

П.К. — Скорее не молотком и зубилом, а мелким фрезерным инструментом… Сейчас собираются под микроскопом. Как собираются модели в бутылочках, то есть с помощью пинцетов. Это так называемая плотность интеграции.

Отсюда появились первые компьютеры. Так, сейчас память шагнула вперёд тоже за счёт того, что изделия стали иметь маленький топологический размеры. Всё уменьшается, при этом функциональность растёт. Здесь две «взаимовосходящие» линии: уменьшение размеров и увеличение функциональности изделия на этих размерах.

Естественно, основным поражающим фактором при производстве этих изделий является дефект. Если он появляется на определённом этапе, он мультиплицируется на каждый кристалл. Может быть так, что пластина, которая состоит из десятков тысяч таких изделий, будет забракована, потому что там наблюдается этот дефект.

— Каков допустимый размер пылинки в чистой комнате?

Д.Г. — Если топологические нормы 1 микрон, то допускаются размеры пылинок диаметром не больше 0,3 микрона.

П.К. — У нас введен ежедневный контроль по количеству пылинок и их размеру. Мы используем американский прибор «Панаметрик» , который действует как счётчик частиц. Его направляют на измеряемый объект, или он находится над объектом, и он через некоторое время показывает, сколько частиц и какого размера через него прошло.

— В чистой комнате на заводе «Микрон» какой норматив по количеству пылинок?

Д.Г. — Допускается 3,5 частицы на кубический метр. Размеры — 0,3 микрона. Это требование международного и нашего внутреннего стандартов.

А по факту — ноль, если всё хорошо работает. На обычных контрольных измерениях обычно ноль, а всё остальное… Допустим, у человека одежда грязная, косметику не смыл с лица или перчатки порвались, то есть не очень аккуратно он себя ведёт. Вот так появляются определённая дефектность.

— У вас — ноль. А у нас в студии? Я что-то не вижу пылинок…

П.К. — У вас просто страшно сидеть, вы себе не представляете, какое здесь количество пыли. Можно как-нибудь организовать и принести прибор…

— Боюсь, что он сломается:) И всё-таки, если взять обычную среднестатистическую квартиру, сколько там пылинок?

П.К. — Безумное количество. Вся особенность чистой комнаты состоит в том, что она (военные очень хорошо понимают это) является так называемым «бункером». В бункере создаётся избыточное давление, и за счёт этого пыль прибивается вниз, к углам и щелям в дверях. За счёт избыточного давления фильтры очищают воздух, и раз в бункере избыточное давление, то даже после атомного взрыва и заражения туда ничего не попадёт снаружи. Давление всё выдувает. Поэтому и в чистой комнате всегда есть избыточное давление.

В домашних условиях, какие бы фильтры не ставили, какими кондиционерами бы вы не пользовались, есть поверхности, на которые цепляется и осаждается пыль, и при любом движении — вы прошли, махнули полотенцем, прошлёпали тапками — она будет подниматься.

Надо проводить регулярную уборку, но при этом надо создать условия. Потому что стены комнаты и всё, что её окружает, способствуют накоплению пыли. Даже пол в чистой комнате сделан таким образом, что он гладкий и антистатический, то есть пыль на него не прилипает, а с него сваливается.

А в чистой комнате есть ещё так называемый «фальшпол»: люди ходят по чуть приподнятому полу. Это сделано для того, чтобы пыль продавливалась через перфорацию в фальшполе и опускалась ниже уровня рабочей зоны.

— Считается, что эффективный способ борьбы с пылью в обычной квартире — влажная уборка.

П.К. — У нас тоже есть влажная уборка как атрибут чистой комнаты.

— Тётя Клава со шваброй?

П.К. — Да, у нас есть сотрудницы, которые два раза в сутки убирают чистую комнату. Есть у нас так называемые «дни энергетика», когда все операторы выходят на подготовку помещений после простоя, например, после новогодних праздников, когда мы традиционно два-три дня отдыхаем. Уборка начинается с того, что большими тряпками и швабрами моют потолок, стены и потом пол.

— Каких-то высоких технологий тут нет?

Д.Г. — Нет высоких технологий.

П.К. — Мы не будем пускаться в рассказы о воде и рассказывать, какая это великая субстанция. Вода — единственное, что собирает, уничтожает и концентрирует пыль и грязь.

— Какова оптимальная влажность для минимизации количества пыли в воздухе?

П.К. — Влажность здесь совершенно не причём. В помещении поддерживается определённая влажность и температура, связано это с двумя факторами. Первый — чтобы было комфортно пластинам, которые обрабатываются. Второе — при этом мы не должны забывать, что в чистой комнате работает человек. Казалось бы, можно было бы понизить температуру, а на некоторых операциях её повысить, чтобы соответствующие процессы шли быстрее или медленнее. И влажность: большая влажность плоха для полупроводниковых пластин. Но если влажность будет низкой, человек в таком помещении долго находиться не сможет.

Д.Г. — И высокая, соответственно, тоже.

П.К. — Да. Есть комфортный уровень влажности, это 45 ± 5 процентов. Температура — 22 ± 1 °C.

— Значит влажность поддерживается для людей, а не для производства?

П.К. — Температура, в основном, для пластин, а влажность — для оптимального сочетания производимого продукта и людей, которые обрабатывают этот продукт.

— Можно ли исключить из этого процесса людей, чтобы создать более комфортные условия именно для пластин?

П.К. — Да. Например, в диффузионной печке температура — 1200 °C. Туда изделия загружают без присутствия человека. Человек ставит пластины на консоль, и они обрабатываются в печи.

Но пластины всё равно надо перемещать. Нет пока такой конвейерной обработки, при которой в «чёрный ящик» загружают заготовки, а с другой стороны выходят готовые пластины. Производство циклично, по некоторым операциям пластины проходят до 20–25 раз. Это повторяющиеся операции, с разным набором функций.

— Подобной автоматизации нет не только у нас? На Западе человек тоже так или иначе задействован внутри чистых комнат?

П.К. — Конечно.

Д.Г. — Он их обслуживает. Ремонтирует оборудование.

— Из того, что вы сказали о влажности, создаётся впечатление, что это делается для того, чтобы совместить человека…

П.К. — Главное — сочетание параметров влажности.

Д.Г. — Это такой компромиссный оптимум.

П.К. — Влажность где-то не влияет, а где-то бы хотелось поменьше. Сильного влияния нет. Но мы не можем намного увеличить влажность. Понятно, что если будет жарко, некомфортно, люди начнут себя чувствовать плохо. Так же при низкой влажности человек чувствует себя неважно.

— Главное, что человека удалить нельзя на данном этапе развития производства.

П.К. — Наверное, пока нет.

Д.Г. — А что вместо человека будет перемещать?

— Конвейер, робот, манипуляторы…

Д.Г. — Да, есть, наверное, определённые производства, на которых робототехника используется. Но полностью заменить человека невозможно.

— Расскажите о классификации и стандартах чистых комнат.

Д.Г. — Это называется «класс чистоты для чистого помещения». Международная классификация по стандарту ISO. Существует несколько стандартов: ISO-стандарт, американский военный стандарт классификации чистых помещений 209D, и соответствующие им отечественные стандарты — ГОСТы.

Соответственно, существуют классы чистоты 100, 10, 1 — по международному американскому стандарту 209D. А по стандарту ISO это могут быть классы ISO 3, ISO 4, ISO 5. В принципе, это одно и то же.

— Чистая комната на заводе «Микрон» к какому уровню относится?

Д.Г. — Это современный уровень: класс чистоты 100 в общем объёме чистого помещения, класс чистоты 10 — на рабочих местах. То, что мы говорим про производство диаметром 150 мм. А класс чистоты, который используется в SMIF-контейнере на новом производстве 0,18 микрон, 90 нанометров — думаю, там класс чистоты 1 и выше.

— Вы упомянули про фальшпол, про избыточное давление. Какая инженерная инфраструктура создаётся вокруг чистой комнаты?

П.К. — Инженерных структур там большое количество. Первое — это электрохозяйство, которое обеспечивает электропитанием, потому что производство является энергоёмким. Второе — обеспечение водой, потому что пластинки после обработки промываются, полоскаются в чистой воде. Третье — так называемая «воздухоподготовка» помещения, с которой начинается микроклимат.

Д.Г. — Кондиционирование помещения.

П.К. — Стандартно наша комната состоит из четырёх ступеней. Первая ступень это такая простая большая «тряпка» — фильтр грубой очистки на воздухозаборе кондиционера, который улавливает крупный мусор, перья, листву. Вторая ступень находится непосредственно в воздуховодах, которые подают воздух к нагнетателям. Третья ступень находится в самом нагнетателе, который создаёт избыточное давление и под давлением поднимает воздух к большому кондиционеру. Четвёртая, последняя, ступень тонкой очистки — это весь потолок чистой комнаты, который представляет собой большой сетчатый фильтр с порами диаметром 0,25 микрона.

— Как раз для того, чтобы не проходили пылинки размером 0,3 микрона?

П.К. — Да.

— В любой системе вентиляции есть параметр, который называется «кратность воздухообмена», то есть как часто меняется воздух в данном помещении. Каков этот параметр в ваших чистых комнатах?

П.К. — Чистая комната без этого не может существовать. Можно сделать, чтобы цикл воздухообмена был однократным, но при этом его очень дорого подготавливать, для этого должна быть большая инфраструктура. Если летом, надо моментально охладить большой объём воздуха, подготовить его по влажности и подать в чистое помещение, а зимой, наоборот, нагреть и тоже очистить и подать. У нас же никогда не бывает на улице среднесуточной температуры 22 °C и с определённой влажностью.

Поэтому к воздуху в чистой комнате, который забирается через фальшпол и через фильтры обратно поступает в систему, подмешивается чистый воздух.

— Но как часто воздух в чистой комнате меняется?

П.К. — За полминуты полностью меняется воздух в помещении чистой комнаты. Грубо говоря, это объём воздуха, прошедший через эту комнату, равный её объёму за 30 секунд.

Д.Г. — Вертикальная скорость потока в потолочном фильтре должна быть не менее 0,3 м/сек.

— Людей не сдувает?

Д.Г. — Нет, людей не сдувает. И нормально все себя чувствуют круглый год.

— Вы ещё сказали, что пылинки не липнут. То есть у пола и стен есть антистатические свойства. Они обрабатываются каким-то антистатиком?

П.К. — Это свойство придаётся исходным материалам при строительстве чистой комнаты. Каких-либо специальных обработок мы не делаем. Единственное — что на людях, которые работают в чистых комнатах, надеты специальные комбинезоны, ткань которых содержит антистатическую нить, и подошва обуви сделана из антистатического материала.

— Про людей отдельно поговорим. Давайте про оборудование закончим. Я слышал такую цифру, что на один квадратный метр чистой комнаты приходится десять квадратных метров дополнительных обслуживающих помещений.

П.К. — Мы про это и говорили. Имеются в виду откачанные средства, которыми оснащено помещение, воздухоподготовка занимает большие объёмы. Это фактически отдельные маленькие цеха, которые всё это делают. Например, электрохозяйство: один цех обеспечивают пять больших КТП [трансформаторные подстанции]. Это сделано, чтобы разнести нагрузку и повысить устойчивость, то есть чтобы при отключении электропитания перейти на резервную КТП для обеспечения непрерывной работы.

— Какая площадь чистой комнаты на «Микроне»?

П.К. — На «Микроне» три чистых помещения разных классов. Помещение чистой комнаты, где производятся пластины диаметром 150 мм — 780 квадратных метров.

— По сравнению с мировыми аналогами это большое помещение?

Д.Г. — Наверное, не очень большое.

П.К. — Обычно общие комнаты занимают около 4000 квадратных метров.

— Скажем, на «ST Microelectronics», у вашего французского партнёра, на их производстве какие чистые комнаты по площади? Я понимаю, что там производство мощнее.

Д.Г. — Сложно сравнить. Мы с Павлом не были, но там, конечно, цифры в разы превосходят наши.

— Это прямая зависимость от объёмов производства?

Д.Г. — В «ST» может быть в десять раз больше объемы производства, чем у нас.

П.К. — Площадь чистой комнат зависит от объема производства. Она не прямо пропорциональна, но зависимость есть.

— Как воздух готовится, мы поняли. А как готовятся люди перед запуском в чистую комнату? Когда говорят о чистых комнатах, перед глазами встаёт картинка: люди в спецодежде, в очках, в шапочках, в бахилах. Допустим, я — новый сотрудник. Мне, наверное, придётся, постричься и сбрить бороду?

П.К. — Постричься вам не придётся, брить бороду — тоже. Потому что когда человек заходит в чистую комнату после выполнения всех подготовительных мероприятий, у него открытыми остаются только глаза. При правильно подогнанной одежде даже брови не должны быть видны, и ноздри носа спрятаны за маской, руки в перчатках.

— Дыхание идёт через маску?

Д.Г. — Да, через маску.

П.К. — Потому как это является возмущением среды, так называемого «ламинарного потока», который пускается сверху. Даже движения человека в чистой зоне регламентированы. Как написано в документации — шаг в секунду.

Ещё есть такой момент, он тоже прописан в документации — больше трёх не собираться. Потому что три человека, как бы себя они спокойной не вели, вокруг них происходит возмущение воздушных потоков, самого обтекающего воздуха. Он должен куда-то уходить, распределяться, и, соответственно, будет изменение в общей атмосфере.

— Это очень хорошо для производственного процесса — больше трёх не собираться. Все заняты делом… Вы сказали, только глаза открыты. А если у меня очки?

П.К. — Это не страшно.

Д.Г. — Основное — это дыхание.

— Какая подготовка происходит до того, как сотрудник наденет специальную одежду?

П.К. — Сначала человек, чтобы пройти по коридору в раздевалку в чистую комнату, совершает так называемое «первое переодевание». Он меняет уличную обувь на тапочки, надевает халат и чепчик. Он выглядит примерно так, как люди в больнице. Потом он начинает заход в чистую комнату. Там специальная раздевалка, которая разделена на гардеробную, откуда ему выдают костюм «второго переодевания», это зона «до переодевания». Далее он переходит в зону «после переодевания». При этом он надевает костюм, шлем, маску, перчатки (если резиновые перчатки для работы с химическими растворами, то он их омывает в раковине от посторонних частиц, прилипших во время переодевания). Проходит через обдувочный шлюз и попадает в чистый коридор — в общий объём чистого помещения. То есть раздевалка отсечена от общего объёма шлюзовой камерой.

— Получается с сотрудников чистой комнаты буквально сдувают пылинки.

Д.Г. — Можно так сказать.

П.К. — Это происходит в автоматическом режиме. Это непрерывный поток, через который проходят люди.

— Вы сказали про косметику…

П.К. — Она запрещена. Запрещено использовать даже средства ароматизации.

— А на выходных, в отпуске можно?

П.К. — Вне чистой комнаты можно. Для этого там и есть раковины с зеркалом.

— А с курением как?

Д.Г. — Правила определённые есть.

П.К. — В мире с курением борются. Мы с Дмитрием не курим. Сейчас много людей не курят. Но есть определённые правила: перед проходом в чистую комнату, если вы покурили, необходимо прополоскать полость рта.

— Сколько длится смена работников в чистой комнате?

П.К. — Смена длится двенадцать часов. Два перерыва и каждые десять минут работник может покинуть чистую комнату, если позволяет процесс.

— Каждый вход и выход требует определённых процедур?

П.К. — Да. Вы будете проходить туда и обратно через одну территорию и процедуру. Причём переодевание — процесс длительный, всё должно быть аккуратно подобрано и убрано.

— Вы до эфира говорили, что есть контейнеры, в которых носят пластины. Правильно ли я понимаю, что уже не получается так, что для более «мелкого» производства нужна более «чистая» комната?

Д.Г. — Прямой зависимости нет.

П.К. — На определённом уровне очень дорого строить чистую комнату по определённым параметрам. Например, при производстве изделий размером 0,8 микрон допустимый размер частиц в чистой комнате должен быть как минимум на треть меньше, чтобы они не приносили вреда схеме. Если мы говорим о производстве изделий размером 0,18 или 0,09 микрон, и если частица должна быть в три раза меньше — это фактически ничто.

— Фильтрами её уловить нельзя?

П.К. — Это очень тяжело. Надо обеспечить очень большую кратность воздухообмена, при этом фильтровальная система должна быть не четырёхступенчатой, а пяти-, шестиступенчатой, а фильтры — всё более и более тонкой очистки. Тут надо говорить о том, что частицы с движущегося человека и его одежды всё равно будут заноситься.

— На каком-то этапе становится бессмысленным?

П.К. — Очень дорого. Поэтому наступил новый этап в строительстве чистых комнат — это уменьшение класса чистоты чистой комнаты, что резко удешевляет её строительство, но при этом данное производство оснащается SMIF-портами и SMIF-контейнерами. Это отдельный чистый бокс в грязном объёме воздуха, который можно переносить. Он герметично запакован, причём распаковывает и запаковывает его именно устройство самой установки, которая обеспечивает высокий класс чистоты внутри себя и внутри этого контейнера.

Д.Г. — Маленькую чистую комнату легко создать, а большую — затратно.

— Это как раз то, о чём мы говорили: исключить человека. Просто делаем маленькие объёмы. Какие эти контейнеры по объёму?

К.П. — Наверное, литров 15–20.

— А переносит их человек?

П.К. — Да. Один человек переносит.

— Они лёгкие, но большие?

П.К. — Да. Объём большой, просто там находятся пластины в определённом порядке — кассета с пластинами. А контейнер является оболочкой.

— Но там воздух, там нет вакуума? Там тоже воздух, просто он абсолютно чистый?

П.К. — Да.

— Если сравнить наше и зарубежное производство в области создания чистых комнат. Мы сами это всё придумываем, идём своим путём или всё берём на Западе? Вы говорили, что были советские чистые комнаты. А как сейчас?

П.К. — Мы имели в виду старые комнаты, времён начала микроэлектронного производства. Мы не являемся строителями чистых комнат, а эксплуататорами в производстве пластин.

На строительство чистой комнаты по программе 0,18 микрон и 90 нанометров был объявлен тендер. На нём были представлены как наши компании, так и зарубежные. И выбор определялся не принципом построения чистой комнаты, а сроками и качеством выполняемых работ.

— Значит наши тоже умеют это делать?

П.К. — Здесь речь идёт о глобализации в области сотрудничества в мировом масштабе. Ведутся исследования в определённом направлении, и в определённый момент происходит прорыв в технологиях. Сначала ноу-хау является только достоянием изобретателя. Затем оно становится общедоступным, потому что всем надо двигаться дальше.

— В Зеленограде ещё есть чистые комнаты? Я знаю, что есть на «Ангстреме», на «Кванте», где собирали, а сейчас ремонтируют ЖК-мониторы. На «Элме» построили чистую комнату.

П.К. — В МИЭТе есть, по-моему, две чистые комнаты, независимые от двух организаций.

Д.Г. — На заводе «Биннофарм», где фармацевтическое производство.

П.К. — Там тоже. Но там уровень чистой комнаты, наверное, не настолько высокий, как у нас. Хотя мы там не были, поэтому точно сказать не можем. Раньше любили сравнивать чистую комнату с операционной. Но в операционную страшно зайти — знали бы люди, сколько там находится микробов и частиц. В чистой комнате нет микробов, пыли.

Если человек будет жить в чистой комнате месяца два-три, не выходя из неё, потеряет иммунитет к воздействию внешних факторов, и его будет опасно выпускать из чистой комнаты, потому что у организма атрофируются механизмы борьбы с микробами.

— Это вредное производство?

П.К. — Не такое вредное, потому что организована сменность работы… Это наступает при непрерывном нахождении человека в таких условиях. Человек будет себя чувствовать хорошо при соответствующих температуре и влажности. Аллергии не будет, никаких воздействий.

— Сначала будет себя чувствовать хорошо, но когда выйдет на улицу, он сразу почувствует себя очень плохо.

П.К. — Это равносильно тому, когда ребёнок не ходит в детский сад, и его сразу в школу. А потом он в школу не ходит, потому что у него то одно, то другое. Другие дети вроде не болеют, а он пока всеми болезнями не переболеет, которыми болели дети в детском саду…

— В завершение вопрос самый важный для наших читателей: как в домашних условиях уменьшить количество пыли? Мы уже выяснили, что она летит отовсюду — с кожи, с одежды, с косметики, но как её уменьшить?

П.К. — Понятно, что пыль берётся от человека. Это разрушение всего, что есть в квартире — обоев, половиков, одежды. В городских условиях очень большое количество приносимой пыли — с обуви и через открытое окно. Самая эффективное средство борьбы с пылью — это влажная уборка стен, потолков и, самое главное, горизонтальных плоскостей, потому что пыль скапливается на них. И когда вы проходите, пыль поднимается потоком воздуха.

— Верно ли, что чем крупнее человек, тем больше с него летит пыли? Это зависит от площади поверхности тела?

П.К. — Зависит.

— Значит дети менее пыльные?

П.К. — Дети всегда менее «пыльные», чем родители. У молодого растущего организма ничего лишнего нет.

Д.Г. — Седых волос нет, кожа не шелушится, волосы не выпадают.

— Идеальные работники для вашей чистой комнаты — это дети:)

П.К. — Нельзя, законодательством запрещено.

Но те «комбинезоны», которые в данный момент существуют, при соблюдении всех норм, о которых мы вам говорили, хорошо защищают чистую комнату от следов человеческого воздействия. Вот вы до эфира упоминали о скафандрах. Но здесь мы защищаем чистую комнату от воздействия человека, а скафандр защищает человека от воздействия чистого космоса:)

— Спасибо. Я думаю, что проблема простой пыли в микроэлектронном производстве — первая. А в следующих передачах будем говорить о более сложных вещах, но и о них постараемся говорить доходчиво, на уровне «чайников», как мы это делали сейчас.

П.К. — Я бы не сказал, что на уровне чайников, но, попытались доходчиво объяснить.

Автор: Александр Эрлих